集成了网络连接的低成本控制器

１ 引言 按照当前的技术水准，如果设计一个不与网络或互联网连接的控制、调节或数据通信系统显然是落伍了。文中将介绍如何采用Ｍａｘｉｍ／Ｄａｌｌａｓ创新的八位网络微控制器ＤＳ８０Ｃ４００实现低成本的具有ＷＥＢ连接的工业应用。 网络的存在大大简化了系统服务和电缆连接，通过以太网也能够实现越来越多的功能。如今越来越多的微控制器被部署在以太网上，例如：无线接入点、视频监控、网络打印、路由器等。在这些应用中，为了减轻软件处理负荷、降低成本，需要核心芯片，也就是集成有以太网接口和ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的微控制器，Ｍａｘｉｍ／Ｄａｌｌａｓ推出的ＤＳ８０Ｃ４００则具备以上特点。 ＤＳ８０Ｃ４００非常适合上述应用，它可以连续运行，并只消耗极少的能量。该器件可以轻易实现ＶｏＩＰ、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ电话等功能，还可以通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或家庭网络控制空调和取暖设备。有了它，就没有必要在系统的每一单元都安装昂贵的电路，系统中的任何ＰＣ都可以通过ＤＳ８０Ｃ４００查看相关数据和发送控制操作。各个单元只需与现有网络连接，这些网络可以是家庭或者公司内部网络，也可以是Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，而且其服务设置和安装过程可以由网络上的任何ＰＣ实现。 ２ ＤＳ８０Ｃ４００功能特点 这款新型控制器为系统监控提供了更多的途径。用户可以采集多个地点的温度并实时显示温度数值，也可以用彩色图表显示不同的温度值和连续工作情况。研发工程师还可以尝试不同的监视和控制方式，而不需要在各控制点增加转换器和昂贵的伺服机构。由于ＤＳ８０Ｃ４００可以通过以太网接入Ｉｎ-ｔｅｒｎｅｔ，这样就使操作者的实际位置变得无关紧要，可以轻松实现远端或远距离的系统监控。 图1 ２．１ 低功耗 ＤＳ８０Ｃ４００能够以最少的外围器件和最低的功耗实现简单有效的功能。参考设计（ＤＳＴＩＮＩＭ４００和ＤＳＴＩＮＩＳ４００）中包含了以太网接口和２个串行接口，此外，板上有１Ｍ字节ＲＡＭ和１Ｍ字节的Ｆｌａｓｈ存储器。该控制器工作在２９．４９１２ＭＨｚ时钟下，运行ＴＩ-ＮＩ－ＯＳ和Ｗｅｂｓｅｒｖｅｒ操作系统时的总功耗为０．５Ｗ。图１所示为ＤＳ８０Ｃ４００的内部结构框图。 ＤＳ８０Ｃ４００具有功率管理模式ＰＭＭ，可以对内部时钟进行２５６分频。在ＰＭＭ模式下，微处理器的速度非常低，仍可以继续执行程序，但电源电流极低，甚至低于空闲模式下的电源电流。当有中断指令产生或其中一个串口接收到数据时，ＤＳ８０Ｃ４００会自动恢复标准工作模式。ＰＭＭ模式下损耗较大的定时器时钟是１０２４分频，而不是４分频。低功耗模式下，内部８０５１核工作于１．８Ｖ，而Ｉ／Ｏ驱动部分工作在３．３Ｖ（可以承受５Ｖ）。 ２．２ 高指令执行速度 在高达７５ＭＨｚ时钟时，ＤＳ８０Ｃ４００的指令执行速度可以达到１８．７５ＭＩＰＳ，足以支持以太网接收未经压缩的音频数据流，然后经过Ｄ／Ａ转换再发送出去。ＤＳ８０Ｃ４００也适合分辨率和刷新速率较低的安全监控系统。但是，ＤＳ８０Ｃ４００不能用于高速、连续吞吐量的场合，例如文件服务器、网络ＤＶＤ刻录机等。此外，ＤＳ８０Ｃ４００内部的运算加速器可以执行１６位和３２位乘法、除法、移位和归一化处理。 ２．３ 接口和外围设备 ＤＳ８０Ｃ４００提供多种接口，其中包括ＣＡＮ２．０Ｂ控制器接口、三个１－Ｗｉｒｅ接口、全双工硬件串行接口、八个双向８位端口（共计６４个数字Ｉ／Ｏ口）。ＤＳ８０Ｃ４００有１６Ｍ字节的可访问地址空间、２２条地址线和４个内部编码片选使能端，见图２所示。它内部集成有１０／１００Ｍ以太网媒体存取控制器ＭＡＣ，可以支持半双工和全双工Ｉｎｔｅｒｎｅｔ协议ＩＰｖ４和ＩＰｖ６。为了减轻发送和接收时的ＣＰＵ负荷，ＤＳ８０Ｃ４００还内含８Ｋ字节带缓冲的数据包存储器。 图2 ＤＳ８０Ｃ４００内嵌６４Ｋ字节ＲＯＭ，ＲＯＭ中的固件利用ＤＨＣＰ，配合ＴＦＴＰ，通过以太网连接实现网络装载。ＲＯＭ固件支持ＵＤＰ、ＴＣＰ、ＤＨＣＰ、ＩＣＭＰ和ＩＧＭＰ，因此实现了完全可以访问的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈。另外，用户也可以从已在ＩＥＥＥ注册的ＤＳ２５０２－Ｅ４８（Ｍａｘｉｍ／Ｄａｌｌａｓ产品，一种提供４８位节点地址的芯片）中获得一个ＭＡＣ地址。 ２．４ Ｊａｖａ Ｍａｘｉｍ／Ｄａｌｌａｓ免费提供基于８０５１核的Ｊａｖａ操作系统以配合ＤＳ８０Ｃ４００的使用。设计者可以从网站：ｆｔｐ／／ｆｔｐ．ｄａｌｓｅｍｉ．ｃｏｍ／ｐｕｂ／ｔｉｎｉ／下载Ｊａｖａ操作系统ＴＩＮＩ－ＯＳ和一些应用例程。ＴＩＮＩ－ＯＳ提供一个类似ＵＮＩＸ的Ｓｈｅｌｌ：ＳＬＵＳＨ－ｓｈｅｌｌ，其中包含了ＦＴＰ和Ｔｅｌ-ｎｅｔ等标准组件。ＴＩＮＩ网站也提供了一些简单范例，例如用于Ｗｅｂ服务器的Ｊａｖａ源程序，该程序利用ＤＳ１９２０（数字温度传感器）来测量温度，并通过ＨＴＭＬ页面显示温度值。 ３ 典型应用 在ＤＳ８０Ｃ４００上安装ＴＩＮＩ－ＯＳ的ＷＥＢ服务器需要下述条件： ●带ＤＳ８０Ｃ４００微控制器的电路板，推荐使用１Ｍ字节Ｆｌａｓｈ存储器，１Ｍ字节ＳＲＡＭ。也可以从以下网址下载一个示例： ｆｔｐ:／／ｆｔｐ．ｄａｌｓｅｍｉ．ｃｏｍ／ｐｕｂ／ｔｉｎｉ／ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｄｅ-ｓｉｇｎｓ／ＴＩＮＩｍ４００／ＴＩＮＩｍ４００ Ｃ．ＰＤＦ ●最新版本的ＴＩＮＩ－ＯＳ操作系统，可以从下面网址得到： ｆｔｐ:／／ｆｔｐ．ｄａｌｓｅｍｉ．ｃｏｍ／ｐｕｂ／ｔｉｎｉ／ｔｉｎｉ１ １３．ｔｇｚ ●编译Ｊ２ＳＤＫ１．４．ｘ、Ｌｉｎｕｘ／Ｕｎｉｘ或Ｗｉｎｄｏｗｓ版本，可参考： ｈｔｔｐ:／／ｊａｖａ．ｓｕｎ．ｃｏｍ／ｊ２ｓｅ／１．４．２／ｄｏｗｎｌｏａｄ．ｈｔｍｌ ●用集成了串行装载器的ＤＳ８０Ｃ４００、Ｊａｖａ－Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ－ＡＰＩ，Ｌｉｎｕｘ／Ｕｎｉｘ或Ｗｉｎｄｏｗｓ版本传送软件，参考： ｈｔｔｐ:／／ｊａｖａ．ｓｕｎ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｊａｖａｃｏｍｍ／ｄｏｗｎ-ｌｏａｄｓ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ ４ 实现ＷＥＢ访问的步骤 首先需要在ＰＣ上安装ＪＡＶＡ－ＣＯＭＭ ＡＰＩ、Ｊａｖａ２ ＳＤＫ及其所有附件。ＪＡＶＡ－Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ－ＡＰＩ的安装可参考文件：ＰｌａｔｆｏｒｍＳｐｅｃｉｆｉｃ．ｈｔｍｌ。然后解压缩已下载的Ｔｉｎｉ－Ｐａｋｅｔ（Ｔｉｎｉ操作系统软件包）ｔｉｎｉ１－１３．ｔｇｚ文件。Ｗｉｎｄｏｗｓ用户应该把这个文件解压缩到根目录下，并且使用尽可能简短的目录名，以便于手工输入路径名。这里假设解压缩到Ｃ＼ＴＮＩＯＳ。现在可以运行Ｔｉｎｉ ＪａｖａＫｉｔ，与ＤＳ８０Ｃ４００的装载器通信如下 ｊａｖａ －ｃｌａｓｓｐａｔｈ ｃ:＼ｔｉｎｉｏｓ＼ｂｉｎ＼ｔｉｎｉ．ｊａｒ; ｃ:＼ｊ２ｓｄｋ１．４．２ ０５＼ｌｉｂ＼ｃｏｍｍ．ｊａｒ ＪａｖａＫｉｔ 完成上述操作后，ＪａｖａＫｉｔ就可以和ＤＳ８０Ｃ４００进行通信了，在此之前，还必须用串口电缆连接ＤＳ８０Ｃ４００的串口０（引脚Ｐ３ Ｂ０和Ｐ３ Ｂ１）和ＰＣ。为了能使用ＪａｖａＫｉｔ的ＤＴＲ－Ｒｅｓｅｔ复位，应该用另外一个串行收发器将ＰＣ串口的ＤＴＲ引脚接到ＤＳ８０Ｃ４００电路板的手动复位电路上。 图3 用户必须确保ＤＳ８０Ｃ４００的第９６引脚Ｐ１＿Ｂ７在复位时没有接地。否则，复位后ＤＳ８０Ｃ４００将自动从地址４００００ｈ开始运行程序。同样，ＤＳ８０Ｃ４００的第３２脚也不能拉低到地电位，否则在接收到来自ＴＦＴＰ服务器的复位后，ＲＯＭ将启动ＮｅｔＢｏｏｔ过程。复位后ＤＳ８０Ｃ４００应该返回以下信息： ＤＳ８０Ｃ４００ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｗｅｌｃｏｍｅ ｔｏ ｔｈｅ ＴＩＮＩ ＤＳ８０Ｃ４００ ｃａｒ ｂｏａｔ Ｌｏａｄｅｒ １．０．１ 用户可以用Ｊａｖａ－Ｋｉｔ通过Ｆｉｌｅ－＞Ｌｏａｄ－ＦｉｌｅＣ＼ｔｉｎｉｏｓ＼ｂｉｎ＼ｔｉｎｉ ４００．ｔｂｉｎ操作将ＴＩＮＩ－ＯＳ文件拷贝到ＤＳ８０Ｃ４００线路板的Ｆｌａｓｈ中， 通过Ｆｉｌｅ－＞Ｌｏａｄ－Ｆｉｌｅ Ｃ＼ｔｉｎｉｏｓ＼ｂｉｎ＼ｓｌｕｓｈ ４００．ｔｂｉｎ将ｓｌｕｓｈ－ｓｈｅｌｌ拷贝到Ｆｌａｓｈ中。在重新启动之前，还需清除ＨＥＡＰ。随后，将ＤＳ８０Ｃ４００的第９６脚（Ｐ１ Ｂ７）拉低到地以产生一次复位。复位之后将显示以下信息： [＝ｓｌｕｓｈ ｖｅｒｓｉｏｎ １．１３ ＝,] [Ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｉｎｇ ｕｐ．] [Ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ ｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎ．．．] [Ｎｅｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｌｏｇ ｆｉｌｅ．][Ｉｎｆｏ] [Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｉｎｇ ｓｈｅｌｌ ｃｏｍｍａｎｄｓ．．．][Ｄｏｎｅ] [Ｃｈｅｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｉｌｅｓ．．．][Ｄｏｎｅ] [Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｉｎｇ ａｎｄ ｐａｒｓｉｎｇｓ． ｓｔａｒｔｕｐ．．．] [Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｉｎｇ ｎｅｔｗｏｒｋ．．．] [Ｓｔａｒｔｉｎｇ ＤＨＣＰ Ｃｌｉｅｎｔ．．．] [ｗａｉｔｉｎｇ ｏｆ ｆｏｒ ＤＨＣＰ ＩＰ Ｌｅａｓｅ．．．]  [ＤＨＣＰ ＩＰ ｏｆ ｌｅａｓｅ Ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ．]  [Ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ] [Ｄｏｎｅ] [Ｓｔａｒｔｉｎｇ ｕｐ Ｔｅｌｎｅｔ ｓｅｒｖｅｒｓ．．．] [Ｄｏｎｅ] [Ｓｔａｒｔｉｎｇ ｕｐ ＦＴＰ ｓｅｒｖｅｒｓ．．．] [Ｄｏｎｅ] [Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｉｔ ｒｏｕｔｉｎｅｓ] [Ｄｏｎｅ] [ｓｌｕｓｈ ｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｌｅｔｅ． 〗 Ｈｉｔ ａｎｙ ｋｅｙ ｔｏ ｌｏｇ－ｉｎ． 以上显示表明操作系统已经运行于ＤＳ８０Ｃ４００。用户可以凭用户名“ｒｏｏｔ”和密码“ｔｉｎｉ”登录。如果网络不支持ＤＨＣＰ动态主机配置协议，还必须使用一个静态ＩＰ地址。配置结果将保存在ＳＲＡＭ的ＨＥＡＰ区域。如果这个ＳＲＡＭ采用备用电池供电，那么即使去掉了主电源，网络参数和系统数据仍然可以完好无缺。现在，用户不再需要Ｊａ-ｖａ－Ｋｉｔ和串口连接，就可以使用ＦＴＰ服务将自己的软件拷贝到系统文件里。进一步的设置可以用Ｔｅｌｎｅｔ完成。 从ＰＣ上可以看到一个简单的Ｊａｖａ ＷＥＢ服务器： ｃ:＼ｔｉｎｉｏｓ＼ｅｘａｍｐｌｅｓ＼ＴＩＮＩＷｅｂｓｅｒｖｅｒ。 用批处理文件ｂｕｉｌｄＷｅｂＳｅｒｖｅｒ．ｂａｔ可以方便地编译这个程序。用户可以把从ＦＴＰ得到的ＴＩＮＩ-ＷｅｂＳｅｒｖｅｒ．ｔｉｎｉ拷贝到ＤＳ８０Ｃ４００文件系统的桌面：／ｂｉｎ下，然后通过Ｔｅｌｎｅｔ用命令／ｂｉｎ／ＴＩＮＩＷｅｂＳｅｒｖ-ｅｒ．ｔｉｎｉ运行它。也可以把这个命令写到启动文件里（／ｅｔｃ／．ｓｔａｒｔｕｐ，一个类似ＰＣ中的ａｕｔｏｅｘｅｃ．ｂａｔ文件），这样在系统启动时，就可保证启动ＷＥＢ服务器。可通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｅｘｐｌｏｒｅｒ来运行ＤＳ８０Ｃ４００里的Ｗｅｂ服务器Ｗｅｂｓｅｒｖｅｒ，在地址栏里输入地址ｈｔｔｐ／／１９２．１６８．１． ５０后的显示结果如图３所示。 在这个参考设计里，监控的温度来自接在第９９脚（ＯＷ）的ＤＳ１９２０温度传感器，时钟信息来自带Ｉ２Ｃ总线接口的ＤＳ１６７２实时时钟芯片。